Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10348/9567
Title: Composting of agro-food residues: chemical composition, greenhouse gases emissions and compost agronomic value
Authors: Santos, Cátia Inês Rodrigues dos
Advisor: Trindade, Henrique Manuel Da Fonseca
Cortez, Maria Isabel Mendes Guerra Marques
Jensen, Lars Stoutmann
Keywords: C and N mineralisation
Composting
Issue Date: 18-Oct-2019
Abstract: Composting has been widely described and accepted as one of the most feasible and viable tecnhologies for processing and valorising agro-industry wastes. Portugal, as member of the European Union needs acomplish the Community goals reducing the amount of waste generate and/or valorising their wastes. Beyond the recycling advantage, the application of the end product improve the soil quality acting as biologic fertilizer, enables carbon sequestration and may allow their use as a sustainable toll on management of soil-borne diseases. There exists, however an environmental risk associated to the process, such a hight warming potential (GWP) owing to the emission of greenhouse gases (GHGs), such as carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) and other gases as ammonia (NH3) and nitric oxide (NO). One of the objectives of the present thesis was to assess the effect of the chemical composition (phenolic and lignocellulosic contents) of the eight diferentt raw materials used on the composting process and on the gases emmited. This evaluation was fullfilled through the physical-chemical analysis of the raw materials, samples mixtures collected along the composting process and final composts. Composting was studied in two sets on 135 L insulated reactors with forced air circulation and with a system that allow the measurement of gases emissions and temperature during the process. In the first composting set, that use different proportions of spent coffee grounds (0 to 40%), all tratments revealed a substantial decrease in total phenolics and total tannins and an important increase in gallic acid. The GHGs emissions were very low and no significant difference between the treatments was registered. Is possible to conclude that that all spent coffee grounds treatments are suitable for composting, but the proportion of 40 % led to better conditions for composting and lower GHGs emissions. In the second composting set, that use different agro-industry wastes (broccoli, chestnut, red grape marcs, white grape marcs, olive leaves) significant variations were observed over time and between the different wastes. The compost obtained with Chestnut wastes and olive leaves led to higher carbon dioxide, methane and nitrous oxide emissions. A positive correlation was found between phenolics and nitric oxide (r = 0.63; p < 0.01) and between lignocellulose and nitrous oxide (r = 0.51; p < 0.05). Its possible to obsserve that a higher content of hemicelluloses in the wastes seemed to entail higher N2O emissions. These results suggest the potential use of wastes rich in lignocelluloses in composting for the purpose of reducing N losses by NH3 and NO emissions After obtaining the final composts we also studied the effect of eight different composts and their chemical composition on C and N mineralization and GHGs emissions by determination of ammonium (NH4 + ) and nitrate (NO3 - ) and measurement of carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) fluxes from amended soils under laboratory conditions. Throuthg the results its possible conclude that mineralization of the C added to the soils was directly correlated to C/N, total phenolic/N, gallic acid/N and NH4 + and negatively correlated with total organic nitrogen (TON) and lignin. N mineralization was only correlated with C/N. All composts enhanced N2O emissions and no significant difference in cumulative emissions were observed between treatments. Finally a biological assay was performed with the objective of test the suppressive potential of four composts (Chestnut, Grape marc, Coffee grounds and Olive) against the soilborne Botrytis cinerea and Fusarium oxysporum with significant impact on lettuce cultivation. The suppressive effect was noticed in Chestnut and Olive with no significant difference between the two doses applied. These treatments also showed significantly higher values of dry matter yields of leaves and roots which denotes their bio-fungicide and bio-fertilizer potential. The results of this thesis could be a useful instrument for planning field scale experiments giving an idea of quantification and quantification of the GHG and soil C and N pools. Overall, the results pinpointed out that the wastes with high lignocellulose contents have additional benefits on the environment in relation to mitigating nitrogen losses. All the composts applied in pot experiments, were found to be beneficial to plant growth. Besides, composts obtained from chestnut wastes and olive leaves are promisors wastes as bio-pesticides supressing Botrytis cinerea and Fusarium oxysporum wilt diseases.
A compostagem é amplamente reconhecida como uma das tecnologias mais viáveis para o tratamento e valorização de resíduos agroindustriais. Para além disso, o produto final (compostado) pode ser aplicado ao solo como fertilizante melhorando a sua qualidade, permitindo o sequestro de carbono e ainda possibilitando a gestão de doenças transmitidas pelo solo, devidas ao potencial bio-fungicida. No entanto, existe um risco ambiental associado ao processo devido à emissão de gases de efeito estufa (GEE) tais como o dióxido de carbono (CO2), óxido nitroso (N2O) e metano (CH4) e outros gases como o amoníaco (NH3) e o óxido nítrico (NO). Um dos objetivos da presente tese foi avaliar o efeito da composição química (compostos fenólicos e lenhocelulósicos) de oito resíduos agro-industriais no processo de compostagem e nos gases gerados. Esta avaliação foi obtida através da análise físico-química dos resíduos iniciais, das amostras recolhidas ao longo do processo de compostagem e dos compostados finais. O processo de compostagem foi avaliado em dois ensaios experimentais usando reatores de 135 L com arejamento forçado. No primeiro ensaio de compostagem, foram usadas diferentes proporções de borras de café (0 %, 20 % e 40 %) e verificou-se uma diminuição substancial nos fenólicos totais e taninos totais e um aumento no ácido gálico em todos os tratamentos ao longo do processo. Relativamente às emissões dos GEEs, verificou-se que estas foram reduzidas e não se obtiveram diferenças significativas entre os tratamentos. Foi possível concluir que a proporção de 40 % de borras de café garantiu boas condições para a progressão do processo de compostagem e foi o tratamento que apresentou as emissões de GEE mais reduzidas. No segundo ensaio de compostagem, utilizaram-se diferentes resíduos provenientes da agroindústria (brócolo, castanha, canganho de uvas tintas, canganho de uvas brancas, folhas de oliveira). Os compostados obtidos de resíduos de castanha e folhas de oliveira promoveram maiores emissões de dióxido de carbono, metano e óxido nitroso. Verificou-se a existência de uma correlação positiva entre fenólicos e óxido nítrico (r = 0,63; p mineralizações C e N. Esta análise foi realizada num ensaio de incubação em condições laboratoriais através da determinação do amónio (NH4 + ) e nitrato (NO3 - ) e medição dos fluxos de dióxido de carbono (CO2), óxido nitroso (N2O) e metano (CH4). Através dos resultados foi possível concluir que a mineralização do C adicionado ao solo se relacionou diretamente com as razões C/N, fenólicos totais/N, ácido gálico/N e NH4 + e evidenciou uma relação negativa com azoto orgânico total (TON) e a lenhina. A mineralização de N apenas se relacionou com C/N. Todos os tratamentos aumentaram as emissões de N2O não se observando nenhuma diferença significativa nas emissões acumuladas entre os tratamentos. Finalmente, realizou-se um ensaio de vasos em alface, com o objetivo de testar o potencial supressor de quatro compostados (Castanha, Canganho de uva, Borras de Café e Oliveira) nos fungos patogénicos Botrytis cinerea e Fusarium oxysporum. Foi observado o efeito supressor nos tratamentos de Castanha e folhas de Oliveira sem diferenças significativas entre as duas doses aplicadas. Esses tratamentos também mostraram valores significativamente maiores de rendimentos de matéria seca de folhas e raízes que denotam seu potencial uso como biofungicida e bio-fertilizante. Em geral, os resultados indicaram os resíduos com altos teores de lenhocelulose poderão ter benefícios adicionais para o meio ambiente devido à mitigação de perdas de azoto. Além disso, os compostados obtidos a partir de resíduos de castanha e folhas de oliveira para além de aumentarem a produção de alface demonstraram possuir um efeito supressor em Botrytis cinerea e Fusarium oxysporum.
Description: PhD thesis in Agricultural and Forestry Sciences
URI: http://hdl.handle.net/10348/9567
Document Type: Doctoral Thesis
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TD - Teses de Doutoramento

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